RU2704034C1

RU2704034C1 - Flow moisture meter

Info

Publication number: RU2704034C1
Application number: RU2019102364A
Authority: RU
Inventors: Евгений Вячеславович Зайцев; Владимир Викторович Воробьев; Сергей Геннадьевич Никулин; Александр Борисович Шабаров
Original assignee: Акционерное общество "ГМС Нефтемаш"
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2019-10-23

Abstract

FIELD: mining; measuring equipment.

SUBSTANCE: use to ensure continuous control of water content of production of production wells and hydrocarbon mixtures in pipelines for oil transportation. Summary of invention consists in the fact that flow moisture meter comprises a housing made with a rectangular chamber and two windows connected to each other and located opposite to each other on opposite sides of the chamber, infrared light-emitting diodes located outside the rectangular chamber opposite to one of the windows in several rows, wherein each row has a certain radiation length λ₁, λ₂, …, λ_n, as well as infrared detectors also located outside the rectangular chamber opposite the other window, wherein each infrared detector is placed opposite the corresponding infrared light-emitting diode.

EFFECT: flow moisture meter design simplification.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано в контрольно-измерительных установках для обеспечения непрерывного контроля обводненности продукции добывающих скважин и углеводородных смесей в трубопроводах для транспортировки нефти.The invention relates to the field of oil production and can be used in instrumentation to ensure continuous monitoring of the water content of production wells and hydrocarbon mixtures in pipelines for transporting oil.

Известен инфракрасный датчик из семейства измерителей обводненности Red Eye, содержащий первичный преобразователь, включающий широкополосный источник ближнего инфракрасного (ИК) излучения, проточную ячейку, оптоволоконный коллиматор, оптические фильтры и фотодиоды, и электронный блок обработки информации, обеспечивающий формирование аналогового выходного сигнала, пропорционального содержанию воды (заявка США №US 2006/0186340 А1, 2006 г.).A known infrared sensor from the family of water meters Red Eye, containing a primary Converter, including a broadband source of near infrared (IR) radiation, a flow cell, a fiber optic collimator, optical filters and photodiodes, and an electronic information processing unit that provides the formation of an analog output signal proportional to the water content (US application No. US 2006/0186340 A1, 2006).

Недостатком таких измерителей является то, что измерение обводненности производится в очень узком диапазоне исследуемого потока. Однако в реальных водонефтегазовых потоках значение обводненности, измеренное в одной точке, может не соответствовать значению обводненности всего потока. Для получения достоверных результатов измерений обводненности в данном случае необходима гомогенная (равномерно перемешанная) структура потока. Измерители могут осуществлять измерения обводненности и при высоком содержании свободного газа, однако при объемной доле газа более 10% погрешности измерений превышают допустимые.The disadvantage of such meters is that the measurement of water cut is carried out in a very narrow range of the studied stream. However, in real oil and gas flows, the water cut value measured at one point may not correspond to the water cut value of the entire stream. To obtain reliable measurement results of water cut in this case, a homogeneous (uniformly mixed) flow structure is required. Meters can also measure water cut with a high free gas content, however, with a gas volume fraction of more than 10%, the measurement errors exceed the permissible ones.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является поточный влагомер, включающий основной корпус с размещенной в нем инфракрасной камерой, в которой расположены широкополосный источник инфракрасного излучения, коллиматорная линза, инфракрасные фильтры и конический отражатель. При этом в стенках инфракрасной камеры и основного корпуса выполнены кольцевые окна, а снаружи основного корпуса напротив его кольцевых окон размещены инфракрасные детекторы, обеспечивающие регистрацию интенсивности излучения, прошедшего через кольцевой канал, образованный наружной поверхностью инфракрасной камеры и внутренней поверхность основного корпуса (RU 2669156 С1, опубл. 08.10.2018).Closest to the proposed device is a flow hydrometer, including the main body with an infrared camera located in it, in which a broadband infrared radiation source, a collimator lens, infrared filters and a conical reflector are located. At the same time, circular windows are made in the walls of the infrared camera and the main body, and infrared detectors are placed on the outside of the main body opposite its circular windows, which record the intensity of radiation transmitted through the annular channel formed by the outer surface of the infrared camera and the inner surface of the main body (RU 2669156 C1, publ. 08.10.2018).

Недостатком данного поточного влагомера является сложность его конструкции, обуславливающая значительную трудоемкость его изготовления.The disadvantage of this in-line hygrometer is the complexity of its design, which leads to the significant complexity of its manufacture.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является упрощение конструкции устройства и снижение материальных и трудовых затрат на его изготовление.The task to which the proposed technical solution is directed is to simplify the design of the device and reduce material and labor costs for its manufacture.

Технический результат достигается тем, что в поточном влагомере, содержащем корпус, источник инфракрасного излучения и инфракрасные детекторы, корпус выполнен с прямоугольной камерой и сообщенными с ней двумя окнами, расположенными напротив друг друга с противоположных сторон прямоугольной камеры, при этом источник инфракрасного излучения представляет собой инфракрасные светодиоды, расположенные снаружи прямоугольной камеры напротив одного из окон в несколько рядов, причем каждый ряд инфракрасных светодиодов обеспечивает излучение определенной длины волны, а напротив каждого инфракрасного светодиода снаружи другого окна расположен соответствующий ему инфракрасный детектор.The technical result is achieved in that in a flow hygrometer containing a housing, an infrared radiation source and infrared detectors, the housing is made with a rectangular camera and two windows connected to it, located opposite each other on opposite sides of the rectangular camera, while the infrared radiation source is infrared LEDs located outside the rectangular chamber opposite one of the windows in several rows, each row of infrared LEDs emitting at a certain wavelength, and opposite each infrared LED, an corresponding infrared detector is located outside of another window.

На фиг. 1 представлена схема поточного влагомера, на фиг. 2 изображено сечение А-А фиг. 1.In FIG. 1 is a flowmeter hygrometer diagram; FIG. 2 shows a section AA of FIG. one.

Поточный влагомер содержит корпус 1 с присоединительными фланцами 2 и прямоугольной камерой 3, оснащенной двумя окнами 4, расположенными на противоположных сторонах камеры 3 напротив друг друга, ИК-светодиоды 5 и ИК-детекторы 6, расположенные соответственно напротив противоположных окон снаружи прямоугольной камеры. ИК-светодиоды 5 располагаются в несколько рядов, при этом каждый ряд имеет свою определенную длину излучения λ₁, λ₂, …, λ_n. ИК-детекторы 6 располагаются напротив ИК-светодиодов 5 на противоположной стороне прямоугольной камеры 3. Для обработки сигналов ИК-детекторы 6 соединены с внешним вычислительным устройством (на схеме не показано), которое обеспечивает обработку результатов измерений и их отображение на цифровом дисплее.The flow hydrometer comprises a housing 1 with connecting flanges 2 and a rectangular chamber 3, equipped with two windows 4 located on opposite sides of the chamber 3 opposite each other, IR LEDs 5 and IR detectors 6, located respectively opposite the opposite windows outside the rectangular chamber. IR LEDs 5 are arranged in several rows, with each row having its own specific radiation length λ ₁ , λ ₂ , ..., λ _n . IR detectors 6 are located opposite IR LEDs 5 on the opposite side of the rectangular camera 3. For signal processing, IR detectors 6 are connected to an external computing device (not shown in the diagram), which provides the processing of measurement results and their display on a digital display.

Принцип действия поточного влагомера заключается в определении обводненности газожидкостного потока по степени поглощения ИК-излучения ближнего диапазона в области длин волн от 1000 до 2000 нм. По интенсивностям падающего и прошедшего через поток излучения определяется оптическая плотность, по значению которой вычисляется значение влагосодержания. При этом в измерениях могут быть использованы несколько значений длин волн.The principle of operation of a flow hydrometer is to determine the water cut of a gas-liquid stream by the degree of absorption of near-infrared radiation in the wavelength range from 1000 to 2000 nm. The intensities of the incident and transmitted through the radiation flux is determined by the optical density, the value of which is calculated value of moisture content. Moreover, several wavelengths can be used in the measurements.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Поточный влагомер встраивается в технологический трубопровод, что позволяет производить определение влажности нефти в рабочих условиях в процессе ее добычи и перекачки.The in-line moisture meter is built into the process pipeline, which allows the determination of oil moisture under operating conditions during its production and pumping.

Излучение от ИК-светодиодов 5 с заданными величинами длин волн (λ₁, λ₂, …, λ_n) проходит сквозь окна 4 через поток газожидкостной смеси и попадает на ИК-детекторы 6. Каждый ряд ИК-светодиодов 5 создает излучение определенной длины волны. Количество рядов ИК-светодиодов 5 зависит от числа выбранных длин волн, на которых будут осуществляться измерения. Одна длина волны может соответствовать поглощению нефти, другая - поглощению воды, дополнительное значение длины волны может быть использовано для учета эффекта рассеяния. Для газа же поглощение на всех длинах волн может быть не существенным. Таким образом, использование нескольких длин волн позволяет определять количество воды при наличии попутного газа с учетом эффекта рассеяния излучения.The radiation from the IR LEDs 5 with predetermined wavelengths (λ ₁ , λ ₂ , ..., λ _n ) passes through the windows 4 through the gas-liquid mixture stream and enters the IR detectors 6. Each row of IR LEDs 5 produces radiation of a specific wavelength . The number of rows of IR LEDs 5 depends on the number of selected wavelengths at which measurements will be carried out. One wavelength may correspond to oil absorption, another to water absorption, an additional wavelength value can be used to take into account the scattering effect. For a gas, absorption at all wavelengths may not be significant. Thus, the use of several wavelengths makes it possible to determine the amount of water in the presence of associated gas, taking into account the effect of radiation scattering.

ИК-детекторы 6 фиксируют интенсивность прошедшего через газожидкостный поток излучения. Сигналы с ИК-детекторов 6 поступают на внешнее вычислительное устройство, в котором производится расчет среднего значения обводненности измеряемого потока жидкости и отображение его на цифровом дисплее. Перерасчет сигналов с ИК-детекторов в значение обводненности осуществляется на основе системы уравнений, базирующейся на законе поглощения Бугера-Ламберта-Бера, выражающимся известной формулой:IR detectors 6 record the intensity of the radiation transmitted through the gas-liquid flow. The signals from the IR detectors 6 are fed to an external computing device in which the average water cut of the measured liquid flow is calculated and displayed on a digital display. Recalculation of signals from IR detectors to the water cut value is carried out on the basis of a system of equations based on the Bouguer-Lambert-Behr absorption law, expressed by the well-known formula:

где D - оптическая плотность анализируемой среды; I₀ - интенсивность падающего излучения; I - интенсивность прошедшего излучения; k - коэффициент поглощения, зависящий от природы вещества и длины волны падающего излучения; С - концентрация поглощающего вещества в просвечиваемой среде;

- толщина слоя анализируемой среды. Интенсивность падающего излучения регистрируется ИК-детекторами в отсутствие перекачиваемой через камеру 3 среды.where D is the optical density of the analyzed medium; I ₀ is the intensity of the incident radiation; I is the intensity of the transmitted radiation; k is the absorption coefficient, depending on the nature of the substance and the wavelength of the incident radiation; C is the concentration of the absorbing substance in the translucent medium;

- the thickness of the layer of the analyzed medium. The intensity of the incident radiation is recorded by IR detectors in the absence of the medium pumped through the chamber 3.

Для предотвращения перепада давления на участке технологического трубопровода с встроенным влагомером характерные размеры прямоугольной камеры 3 подобраны таким образом, чтобы площадь его поперечного сечения была равной или незначительно меньше площади поперечного сечения технологического трубопровода.In order to prevent a pressure drop in a section of the process pipeline with an integrated moisture meter, the characteristic dimensions of the rectangular chamber 3 are selected so that its cross-sectional area is equal to or slightly less than the cross-sectional area of the process pipeline.

Изобретение обеспечивает высокую точность измерения обводненности водонефтегазовой смеси и, благодаря своей упрощенной конструкции, позволяет сократить трудозатраты на собственное изготовление.The invention provides high accuracy for measuring the water content of the oil and gas mixture and, thanks to its simplified design, allows to reduce labor costs for its own production.

Claims

A flow hygrometer comprising a housing, an infrared radiation source and infrared detectors, characterized in that the housing is made with a rectangular camera and two windows connected thereto, located opposite each other on opposite sides of the rectangular camera, the infrared radiation source being infrared LEDs located outside a rectangular chamber opposite one of the windows in several rows, each row of infrared LEDs emits a certain wavelength In contrast to each infrared LED, an infrared detector corresponding to it is located outside of another window.